加卸載工況下的車站深基坑開挖變形性狀研究

王京潮 ，魏 綱，周鑫鑫

（1.寧?？h市政建設(shè)中心，浙江 寧海 315600；2.浙大城市學(xué)院，浙江 杭州 310015；3.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310058）

0 引言

在市政工程的建設(shè)過程中，深基坑因其開挖過程的高風(fēng)險和高難度特點(diǎn)，常常帶來極大的安全隱患，因此，深基坑的開挖監(jiān)測分析對保障其安全性具有重要的意義[1-2]。已有許多學(xué)者對臨近超載或基坑周圍有開挖卸載的深基坑進(jìn)行了監(jiān)測分析，并總結(jié)了相應(yīng)的規(guī)律[3-8]。但是現(xiàn)有文獻(xiàn)中學(xué)者們大多只對臨近超載或僅臨近卸載的基坑開挖進(jìn)行監(jiān)測分析研究，但并未遇到既鄰近超載又臨近卸載的深基坑開挖工況。因此有必要作進(jìn)一步深入研究。

本文以某地鐵車站深基坑開挖為背景進(jìn)行研究，該地鐵車站深基坑標(biāo)準(zhǔn)段北側(cè)臨近高樓，南側(cè)臨近在挖恒大基坑。通過對其進(jìn)行監(jiān)測分析，研究基坑在一側(cè)超載以及一側(cè)卸載特殊工況下，其兩側(cè)的沉降與變形特性的不同，以及和普通基坑（指周邊既無超載也無卸載的基坑）之間的差異并得出相應(yīng)的變化規(guī)律以及總結(jié)兩側(cè)存在區(qū)別的具體原因。

1 工程概況及監(jiān)測布置

1.1 工程概況

本工程主體結(jié)構(gòu)總長472.4 m，端頭井寬25.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.3 m。該基坑采用明挖順筑法施工，側(cè)墻為地下連續(xù)墻與內(nèi)襯墻組合的復(fù)合墻。連續(xù)墻厚0.8 m，插入比介于0.79～1.07 之間。其標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為18 m，具體支撐設(shè)置見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段支撐結(jié)構(gòu)橫斷面圖（單位：m）

標(biāo)準(zhǔn)段開挖土層分布情況見圖1，其力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)段開挖地層物理力學(xué)參數(shù)表

本工程場區(qū)無地表河流，其中潛水初見水位一般埋深0.50～1.50 m，靜止水位一般埋深0.40～1.90 m，場區(qū)淺部潛水主要賦存于表1 所示的巖層中。潛水水位年變幅為1.0～2.0 m，流速緩慢，對工程影響小。承壓水主要分布于深部（深度大于36 m）的圓礫層中，詳勘測得少量承壓水水位埋深4.30 m，水位年變幅1～3 m，且對工程影響小。

該地鐵車站基坑西側(cè)靠近河流，東側(cè)分布有三條管線，后期將要改遷。本文重點(diǎn)討論的標(biāo)準(zhǔn)段，其北側(cè)分布新建的采用樁基礎(chǔ)的高層住宅樓，臨近基坑有4～6 號樓等，住宅樓在車站基坑開挖前完成了回填工作；南側(cè)靠近恒大基坑，開挖深度介于13～19.35 m 之間，在車站深基坑的開挖過程中，恒大基坑第二層土方開挖結(jié)束，坑底深度為10 m，且還未架設(shè)第二道支撐。該地鐵站深基坑周邊環(huán)境見圖2～圖4。由于車站的標(biāo)準(zhǔn)段開挖與恒大基坑同時進(jìn)行，而且北側(cè)臨近高樓，因此該段的監(jiān)測分析至關(guān)重要。

圖2 基坑標(biāo)準(zhǔn)段19-22 軸剖面示意圖（單位：m）

圖3 基坑標(biāo)準(zhǔn)段北側(cè)臨近高樓示意圖

圖4 基坑標(biāo)準(zhǔn)段南側(cè)臨近在建基坑示意圖

2.2 基坑監(jiān)測項目及測點(diǎn)布置

本文研究的主要監(jiān)測項目內(nèi)容包括：（1）圍護(hù)墻水平位移；（2）土體水平位移；（3）周邊建筑物沉降；（4）地表沉降；（5）立柱沉降。對位于在建基坑與住宅樓間的該車站深基坑，因為標(biāo)準(zhǔn)段19-22 軸相比其他軸段，其南北側(cè)更加靠近恒大基坑以及高樓，且高樓回填土具有一定的時間效應(yīng)，對于該工況而言最具有代表性，因此本文選擇對19-22 軸段間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各項目測點(diǎn)以及累計變形報警值統(tǒng)計見表2，測點(diǎn)布置見圖5，且各工況開挖情況見表3。

表2 各項目測點(diǎn)以及累計變形報警值統(tǒng)計表

圖5 標(biāo)準(zhǔn)段19-22 軸測點(diǎn)布置平面圖

表3 各級開挖工況及時間節(jié)點(diǎn)

表2 中，高樓測點(diǎn)距離北側(cè)圍護(hù)墻依次為44.61 m、27.57 m、18.17 m 和33.62 m；北側(cè)地表沉降測點(diǎn)距離坑壁依次為2 m、6 m 和11 m；南側(cè)地表沉降測點(diǎn)距離坑壁為2 m；圍護(hù)墻水平位移測點(diǎn)重點(diǎn)分析6 號樓所對北側(cè)測點(diǎn)XY35、XY36 和XY37 以及南側(cè)測點(diǎn)XY18、XY19 和XY20。

3 基坑開挖變形性狀分析

3.1 南側(cè)和北側(cè)圍護(hù)墻水平位移對比分析

圖6 和圖7 分別為南北兩側(cè)圍護(hù)墻測斜點(diǎn)在不同開挖工況下的監(jiān)測數(shù)據(jù)圖。圖中圍護(hù)墻向坑內(nèi)位移為正，反之為負(fù)。

如圖6 和圖7 所示，隨著基坑不斷開挖，南北側(cè)圍護(hù)墻向坑內(nèi)發(fā)生水平位移，開挖越深，位移越大，圍護(hù)墻位移曲線呈現(xiàn)“中間大，兩端小”的典型“膨脹”線型，其中北側(cè)每級曲線變化趨勢吻合較好，南側(cè)則較差。北側(cè)測點(diǎn)測得的最大水平位移對應(yīng)深度均在17 m 左右，而南側(cè)測點(diǎn)XY18-20 測得的最大水平位移對應(yīng)深度依次為15 m 、16 m 和18 m，可見南側(cè)測點(diǎn)累計最大水平位移無明顯對應(yīng)統(tǒng)一深度。由上可知，鄰近卸載和超載的南北兩側(cè)墻體的變形并不對稱，對應(yīng)的最大位移深度也不統(tǒng)一。且南側(cè)坑底圍護(hù)墻底部有向坑外偏移的趨勢，而北側(cè)并無此現(xiàn)象。

圖6 北側(cè)圍護(hù)墻測點(diǎn)水平位移—深度關(guān)系圖

圖7 南側(cè)圍護(hù)墻測點(diǎn)水平位移—深度關(guān)系圖

丁智等[9]收集浙江37 個軟土深基坑實(shí)例，研究表明最大水平位移與開挖深度呈線性關(guān)系。本基坑最大水平位移隨開挖深度變化見圖8，可發(fā)現(xiàn)前三級開挖基本符合線性關(guān)系，但最后一級開挖的最大水平位移增量有部分明顯的突增。且如圖6 所示，當(dāng)開挖深度至16 m 和18 m 時，深度在10～20 m 的北側(cè)圍護(hù)墻累計水平位移普遍超過了警戒值42 mm，而鄰近在挖基坑的南側(cè)均沒有超過警戒值。

造成該南北圍護(hù)墻水平位移差異的原因有以下幾點(diǎn)：基坑在一側(cè)超載以及一側(cè)卸載的工況下，南北圍護(hù)墻所受主動土壓力大小以及計算合力作用深度存在差別，且北側(cè)高樓的回填土具有一定的時間效應(yīng)，因此導(dǎo)致南北兩側(cè)圍護(hù)墻變形以及最大水平位移對應(yīng)深度不同；南側(cè)在挖基坑支撐設(shè)置與本基坑支撐設(shè)置相交錯，XY18-20 各測點(diǎn)所在截面一定區(qū)域位置，兩基坑的支撐在縱向距離內(nèi)存在差異，導(dǎo)致南側(cè)最大水平位移對應(yīng)深度也各異；北側(cè)坑壁上的主動土壓力大于南側(cè)坑壁所受主動土壓力，又由于周邊卸載導(dǎo)致南側(cè)墻底產(chǎn)生被動土壓力，使得其向坑外偏移；在第四級開挖過程中，施工方未合理安排施工進(jìn)度，基坑暴露時間太長，導(dǎo)致基坑的時空效應(yīng)加劇，因此在圖8 中折線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。

圖8 各測斜點(diǎn)最大水平位移隨開挖深度變化圖

為較好應(yīng)對此類問題，應(yīng)充分了解和評估周邊環(huán)境，在設(shè)計和施工上做好調(diào)整：（1）針對北側(cè)高樓，本基坑需提高第四道雙拼鋼支撐的整體剛度；（2）在施工進(jìn)度上應(yīng)與南邊在挖恒大基坑施工進(jìn)度充分協(xié)調(diào)，更好地合理安排開挖進(jìn)度，減少基坑暴露時間，降低基坑的時空效應(yīng)；（3）建議恒大基坑靠近本車站基坑的一側(cè)，加強(qiáng)第二、三道支撐的整體剛度，并將原先計劃的局部區(qū)域混凝土板結(jié)構(gòu)改成全區(qū)域的混凝土板結(jié)構(gòu)，以便于在基坑開挖期間有足夠的受力能力以及良好的整體剛度；（4）基坑底部位于⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土層中，該土層為微不透水性土層，屬于弱富水性，所以在開挖過程中要做好排水工作來減小水土壓力。

3.2 南側(cè)和北側(cè)地表沉降對比及分析

圖9 為地表沉降測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)隨開挖深度變化圖。圖中地表發(fā)生沉降為負(fù)值，隆起為正值。由圖9 可見，對比同距坑壁2 m 的CJ39-1 和CJ19-1，南側(cè)土體后期有隆起現(xiàn)象。開挖至后期時，CJ39-2 和CJ39-3 處地表沉降均超過了報警值，最后一級開挖過程中，兩處地表沉降折線明顯加快上升。

圖9 地表沉降隨開挖深度變化圖

首先，鄰近坑壁的超載與卸載是造成南北沉降差異的主要原因；其次，在開挖過程中，附近有大型鋼材堆積和大型工程車持續(xù)碾壓，如圖3 所示；最后，最后一級開挖時基坑暴露時間過長。因此在施工過程中，需嚴(yán)格控制場地，防止臨時堆載以及循環(huán)荷載對沉降造成太大影響。

3.3 南北兩側(cè)蠕變對比分析

土體的固結(jié)和蠕變是造成基坑在開挖空隙期其土體水平位移以及地表沉降繼續(xù)增大的主要原因。應(yīng)宏偉等[10]通過對軟黏土深基坑的開挖時間效應(yīng)進(jìn)行有限元模擬，分析可知在軟黏土基坑的開挖空隙期間，上層土體的開挖卸載會導(dǎo)致超靜負(fù)孔壓的消散，進(jìn)而導(dǎo)致基坑坑壁土體繼續(xù)水平位移以及地表土體繼續(xù)輕微的回縮。由于本基坑的超靜負(fù)孔壓消散不明顯，且基坑開挖的空隙期較短，所以在此處忽略土體固結(jié)的影響。

據(jù)此，將基坑開挖空隙期的坑壁土體水平位移增量和地表沉降定義為土體水平蠕變和地表沉降蠕變。土體水平位移最大蠕變率α 和地表最大沉降蠕變率μ 表示為：

式中：Δ 和▽定義為基坑開挖空隙期，土體最大水平位移增量和地表土體最大沉降增量；T 為空隙期時間間隔。由于6 m 的開挖深度較淺，蠕變效應(yīng)不明顯，則此處不討論該深度的土體蠕變。

3.3.1 南北兩側(cè)土體水平蠕變對比分析

圖10 為坑壁土體最大水平蠕變速率隨開挖深度分布圖。從圖中可看出，北側(cè)坑壁土體最大蠕變率明顯大于南側(cè)，且開挖深度越深，兩側(cè)差距越明顯。對于普通的基坑開挖，Ou 等[14]和應(yīng)宏偉等[15]總結(jié)的最大水平蠕變速率介于0.1～0.6 mm/d 和0.15～0.76 mm/d之間。對于一側(cè)超載一側(cè)卸載的本基坑，北側(cè)的最大蠕變率介于0.1～0.65 mm/d 之間，南側(cè)的最大蠕變率介于0～0.2 mm/d 之間，可見該基坑臨近超載的北側(cè)坑壁土體最大蠕變速率與普通基坑相當(dāng)，而臨近卸載的南側(cè)則比其略小。

圖10 坑壁土體最大水平蠕變速率隨開挖深度分布圖

3.3.2 南北兩側(cè)地表沉降蠕變對比分析

圖11 為地表最大沉降蠕變速率隨開挖深度分布圖。對于普通的基坑開挖，Ou 等[14]和應(yīng)宏偉等[15]總結(jié)的最大沉降蠕變速率介于0.1～0.4 mm/d 和0.1～0.6 mm/d 之間。而本基坑北側(cè)地表的最大沉降蠕變率介于0.05～0.56 mm/d 之間，南側(cè)地表的最大沉降蠕變率介于0.10～0.44 mm/d 之間，可見該基坑臨近超載的北側(cè)和臨近卸載的南側(cè)地表沉降最大蠕變速率均與普通基坑相當(dāng)，但北側(cè)地表最大蠕變率略大于南側(cè)地表，且開挖深度越大，兩側(cè)的差距也越大。

圖11 地表最大沉降蠕變速率隨開挖深度分布圖

根據(jù)以上本基坑南北側(cè)的蠕變對比以及與普通基坑的對比，形成以上差別主要有以下兩個原因：（1）本基坑北側(cè)鄰近新建住宅高樓，南側(cè)鄰近基坑卸載；（2）北側(cè)地表常有大型工程車輛持續(xù)碾壓，在此循環(huán)荷載作用下也會加劇該側(cè)的蠕變效應(yīng)。對此，在基坑開挖過程中，尤其對于此類“上硬下軟”的土層，其抗剪強(qiáng)度弱，壓縮性大，需加強(qiáng)支撐剛度，減少地表超載以及防止臨近地表循環(huán)荷載的作用；在開挖鄰近結(jié)束，更要及時澆筑墊層和底板。

3.4 周邊建筑物沉降和立柱沉降分析

圖12 為6 號建筑四個沉降測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)隨開挖深度變化圖，其中沉降為負(fù)。如圖12 所示，隨著基坑開挖的進(jìn)行，建筑物沉降不斷增大，且距離基坑越近的位置沉降量越大，但各測點(diǎn)的沉降量差距不大，且均未超過警戒值20 mm，對整個建筑物影響較小。最后一級開挖過程中，建筑物沉降量略微增加加快，原因與上文分析相同。

圖12 周邊建筑物沉降-開挖深度關(guān)系曲線圖

圖13 為立柱沉降測點(diǎn)測得的監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間的變化圖，其中，立柱抬升為正值，下沉為負(fù)值。如圖所示，隨著基坑的不斷開挖，立柱沉降測點(diǎn)測得均為正值，此表現(xiàn)為基底不斷隆起?；娱_挖得越深，基底隆起越明顯，但均未超過立柱沉降警戒值20 mm，這是由于該車站基坑南側(cè)存在一個在挖基坑，它的存在對本基坑有一定的卸載作用。10 月18 號（開挖至18 m）后，基底隆起開始減小，是因為基坑底部鋪設(shè)了墊層和底板的緣故。

圖13 立柱沉降隨時間變化圖

4 結(jié)論

（1）該基坑南北兩側(cè)的圍護(hù)墻水平位移和地表沉降變形并不對稱統(tǒng)一。由于基坑一側(cè)鄰近超載（新建住宅高樓）、一側(cè)鄰近開挖卸載，且北側(cè)高樓的回填土具有一定的時間效應(yīng)，其加載側(cè)變形均比卸載側(cè)明顯，且普遍存在超過警戒值。因此，加強(qiáng)支撐剛度、減少和控制額外超載和合理安排施工進(jìn)度具有重要意義。另外，建議擴(kuò)大加載側(cè)的地表沉降監(jiān)測范圍。

（2）對于坑壁土體水平蠕變和地表沉降蠕變，加載側(cè)的最大蠕變率均略大于卸載側(cè)。除了北側(cè)的高樓荷載，車輛循環(huán)荷載也加劇了蠕變效應(yīng)。

（3）本基坑的高樓沉降以及立柱沉降均在報警值以內(nèi)，且高樓沉降均勻，可見本基坑開挖對高樓的沉降影響較小。而且由于南側(cè)在挖恒大基坑的存在，對本基坑的坑底有一定的卸載作用，使得立柱隆起不明顯。